백색 광원용 저분자량 유기물 발광소자

이 성수, 조 성민

성균관대학교 공과대학 화학공학과

Low-molecular-weight organic-light-emitting-devices for white light source

Sungsoo Lee, Sung M. Cho

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University,

Suwon 440-746, Korea

서론

백색을 발광하는 유기물 발광소자는 액정표시장치(LCD)의 광원용, 혹은 조명용 분야와 같은 잠재적인 응용분야 때문에 많은 관심을 불러일으키고 있다.  액정표시장치의 광원용으로 사용될 백색을 발광하는 유기발광소자는 고휘도, 고효율의 발광을 해야하며 또한 백색광의 색좌표 값(CIE color coordinator)인 (0.33,0.33)을 나타내야 한다.  이러한 백색 발광을 하는 유기발광소자를 제조하기 위한 방법이 몇 가지 보고되었다(1-8).

가장 널리 알려진 방법으로는 고분자 호스트 층에 각각의 파란색, 붉은색, 그리고 녹색의 도판트를 함께 형성함으로써 불완전한 에너지 전이를 통하여 백색을 발광하는 유기물 발광소자를 제조하는 방법이 있고(9-12), 두 번째 방법으로는 두 가지(13) 혹은 세 가지(14) 발광층을 전자수송층과 정공수송층 사이에 형성하고 여기에 전하의 이동을 제어할 수 있는 유기물 층을 주입함으로써 전하의 재결합 영역을 조절함으로써 백색을 발광하는 유기물 발광소자를 제작하는 방법이 있다.

이러한 방법 중에서 두 번째 방법은 인가되는 전압이 증가함에 따라 전하의 상대적인 이동도의 차이에 의하여 재결합 영역이 변화하게 되어 원하는 휘도로 원하는 색좌표 상의 값을 얻기가 힘들다.

본 연구에서는 두 가지 발광층을 정공수송층과 전자수송층 사이에 삽입하였으며, 전하의 재결합 영역을 조절하기 위하여 전하의 이동을 제어할 수 있는 유기물을 삽입하였고 또한 이 유기물 층의 두께를 조절함으로써 원하는 백색을 발광하는 소자를 제작하였다.  또한 본 연구에서 제작된 소자는 인가되는 전압 변화에 민감하지 않아서 인가되는 전압을 변화시켜서 발광강도를 조절하여도 백색의 발광을 위한 색좌표 상의 값을 유지 할 수 있다.

실험

본 연구에 사용된 ITO glass는 면저항이 15□/sq. 이며 필요한 형상을 구현하기 위해 염산증기를 이용하여 습식식각을 수행한 후 탈이온수와trichloroethylene(TCE), 아세톤, 그리고 메탄올을 사용하여 초음파 세척을 하였다. 정공주입층 물질로는 phthalocyanine copper complex (CuPc)를 사용하였고 전공수송층과 전하이동을 막기 위한 유기물로는 4,4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl (□-NPD), 전자수송층 물질로는 Alq3를 사용하였으며, 파란색 발광 물질로 4,4-bis(2,2-diphenylvinyl)-1,1-biphenyl (DPVBi), 오랜지색 발광물지로 Alq3(호스트)와 Rubrene(도판트)을 사용하였다.  금속 전극으로는 Al:Li 합금을 사용하였으며, 이는 모두 진공 증착법에 의해서 2×10-6 torr에서 증착하였다.  정공주입층의 두께는 15nm로 증착하였고, 전공 및 전자 수송체의 두께는 50nm로 증착하였으며, 발광층의 두께는 각각 15nm로 고정하였다.  또한 오랜지색 발광을 이루기 위하여 Rubrene의 도핑농도를 5wt%로 고정하였으며, 전하이동 억제층인 □-NPD 층의 두께를 조절하여 재결합 영역의 변화를 알아보았다.  또한 두 가지 발광층을 이용한 백색 발광소자를 세 가지 발광층을 이용한 백색 발광 소자와 비교하여 보았다.  제조된 소자는 발광스펙트럼, 그리고 발광강도를 측정하여 소자의 특성을 분석하였으며, 색좌표를 통하여 소자의 백색발광 정도를 관찰하였다.

결과 및 고찰

Table 1은 본 연구를 위해 제작된 백색 발광소자의 개략도이다.  표에서 보는 바와 같이 네 가지 구조의 백색 발광소자를 제작하였고 이것들 중에서 (a)와 (b)는 세 가지 발광층으로 소자를 구성하였으며, (c)와 (d) 구조는 두 가지 발광층을 사용하여 백색을 발광하는 소자를 제작하여 비교하였다.  Fig. 1은 제조된 소자의 발광 스펙트럼이다.  Fig. 1(a)에서 보는 바와 같이 비록 세 가지 유기물을 사용하여 소자를 제작하였지만 녹색발광현상을 관찰할 수 없었다.  그 이유는 정공수송층으로부터 세 번째에 위치한 녹색 발광층의 경우에는 호스트인 Alq3가 전자이동층으로 사용되는 Alq3와 HOMO-LUMO 레벨이 같아서 전자가 어떠한 제약도 받지 않으므로 전하의 재결합이 이루어지지 못하기 때문이다.  따라서 이러한 세 번째 발광층으로부터 발광을 유도하기 위하여 두 번째 발광층과 세 번째 발광층 사이에 전하의 이동을 제어할 수 있는 □-NPD를 삽입하여 녹색 발광층에서의 발광을 유도한 것이 Fig. 1(b)이다.  그러나 이러한 세 가지 발광층을 이용한 백색 발광소자의 경우에는 공정이 약간 복잡하고, 세 가지 발광층으로부터의 발광 강도를 조절하기가 쉽지 않다.  따라서 본 연구에서는 파란색 발광층과 오랜지색 발광층을 이용한 백색 발광소자를 제작하였으며, 이 소자로부터의 발광 스펙트럼을 Fig. 1(c)와 (d)에 나타내었다.  이러한 두 가지 발광층을 이용한 백색발광소자는 공정이 비교적 단순할 뿐만 아니라 사용하는 유기물이 안정적이어서 보다 성능이 뛰어난 소자를 제작할 수 있다.  제작된 소자의 백색 발광 정도를 색좌표 상에 도시한 것이 Fig. 2이다.  그림에서 보는 바와 같이 제작된 소자는 색좌표 상의 백색 발광 영역을 정확히 통과하고 있음을 관찰할 수 있다.  한 가지 특징적인 것은 structure (Ⅳ)의 소자의 경우에는 다른 구조의 소자에 비하여 인가되는 전압변화에 민감하지 않아서 색좌표 상에서의 위치가 거의 변화하지 않음을 관찰할 수 있다.  다양한 방법을 통하여 이러한 소자의 특이한 특성을 분석하였다.

참고문헌

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Structure	Order of emitting layers
Ⅰ	B / R / G
Ⅱ	B / R / □-NPD / G
Ⅲ	B / □-NPD / Y
Ⅳ	Y / □-NPD / B

Table 1. The orders of emitting layers for Fabricated white light emitting OLEDs.

(a)

(c)

(d)

Fig. 1. EL emission spectra at various applied voltages; (a) structure (I), (b) structure (Ⅱ), (c) structure (Ⅲ), (d) and structure (Ⅳ).

(b)

Fig. 2. The CIE chromaticity diagram at various applied voltages; (a) structure (I), (b) structure (Ⅱ), (c) structure (Ⅲ), (d) structure (Ⅳ).